DE2161159A1

DE2161159A1 - Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE2161159A1
Application number: DE19712161159
Authority: DE
Inventors: Frank Geoffrey Stevenage Hertfordshire; Albery Raymond Leslie Biggies wade Bedfordshire; Everest (Großbritannien)
Original assignee: British Aircraft Corp Ltd
Current assignee: British Aircraft Corp Ltd
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-12-09
Publication date: 1972-06-29
Also published as: GB1325069A; US3723002A; FR2117635A5

Description

British Aircraft Corporation
Limited

100 Pall Mall

London S.W. 1, England

9. Dezember 1971 Anwaltsakte. M-I85I

Entfernungsmesser

Diese Erfindung betrifft Entfernungsmesser, bei denen ein Laser eine Folge von Lichtimpulsen aussendet und ein Detektor das reflektierte Laserlicht erfaßt und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Das Zeitintervall zwischen dem ausgesandten Laserimpuls und der erfaßten Reflexion stellt ein Maß für die Entfernung des reflektierenden Gegenstandes dar. In Systemen, in denen ', gepulste Laser mit einer großen Impulsfolgefrequenz benutzt wer- j den ( z.B. Oallium-Arsenid-Laser ), ist eine Begrenzung sowohl hinsiohtlich der Spitzenausgangsleistung als auoh hinsichtlioh der mittleren Ausgangsleistung des Lasers zu verzeichnen. Die geringe Leistung eines aus einem solchen System abgeleiteten reflektierten Impulses und der geringe Rauschabstand gestalten eine Erfassung des reflektierten Impulses schwierig.

Hinsichtlich der Impulsfolgefrequenz, die bei einem solchen Laser

__ - 2 209827/0658"""

benutzt werden kann, ist aber keine Begrenzung festzustellen, vorausgesetzt, daß der Grenzwert der mittleren Leistung des Lasers nicht überschritten wird; die vorliegende Erfindung baut auf Impuls integration auf, um den Rauschabstand in einem einen Laser von hoher Impulsfolgefrequenz aufweisenden System zu verbessern.

Ein Entfernungsmeßsystem nach der Erfindung weist einen Abtastimpulsgenerator für die Erzeugung einer R_eihe von elektrischen Impulsen, einem in jedem Zeitintervall zwischen zwei Laserimpulsen auf; der Abtastimpulsgenerator weist eine Zeitsteuereinrichtung für die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Im-

!pulses innerhalb des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Laserimpulsen auf, so daß die AuftrittsZeitpunkte der erzeugten Impulse innerhalb der Zeitintervalle sich fortschreitend ändernden Entfernungsbereiohen von reflektierten Lichtimpulsen ent-

.sowie

sprechen,/ eine auf die erzeugten Impulse ansprechende •Forschalteinrichtung, die nur dann ein einem reflektierten Laserimpuls entsprechendes Signal durchläßt, wenn ein erzeugter Impuls anliegtjj hinzu kommen 3ohaltmittel für die Integration der Ausgangssignale , der Torschalteinrichtung und mit der Zeitsteuereinrichtung und den Integrierschaltmitteln verbundene Schaltmittel, die dann anspre-

i ------ -■■■

chen, wenn der Integralwert größer als ein Sohwellenwert ist« um die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Impulses in der Richtung anzuhalten, in der die Änderung fortschritt ·

Bei einer bevorzugten AusfUhrungsforra des Entfernungsmessers gemäß der Erfindung ist zwischen dem Ausgang des Detektors und der Torschalteinrichtung ein Qleichapannungsrüokstellkreis eingesohal-

208827/0658

tet. Wenn die Öffnungszeit des Tors in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Dauer des reflektierten Impulses gewähl't worden ist, stellt ein solcher Kreis sicher, daß das Ausgangssignal der Torschalt einrichtung zunächst von einer Polarität und dann von der anderen Polarität Ist, während sich der Torimpuls ( gating pulse) über das der Reflexion entsprechende Signal schiebt. Die Folge davon ist, daß von dem Torausgang her eine positive Polarität nur über einen schmalen Bereich der Torlagen in Bezug auf das Reflexionssignal an den Schwellendetektor angelegt ist und daß eine verbesserte Lagegenauigkeit dadurch erreicht wird.

Die Mittel für die fortschreitende Änderung der Zeitlage der ersonnen
zeugten Impulse/ aus einem ersten Sägezahngenerator, der eine Sagezahnwellenform bei Jedem Laserimpuls erzeugt, und einem zweiten und langsameren Sägezahngenerator bestehen, der eine sich über eine Reihe von Wellenformen des ersten Sägezahngenerators erstreckende Sagezahnwellenform erzeugt; dazu gehört auch ein Vergleicherkreis, der Immer dann einen Impuls erzeugt, wenn die Augenblickswerte der beiden Sägezähne übereinstimmen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Gemäß der Zeichnung stößt ein Laserimpulsgenerator 10 einen Laser ι 12 mit einer großen Impulsfolgefrequenz an, und die dabei ent- \ stehenden kurzen Laserimpulse werden mit Hilfe einer Linse 14 auf ein Ziel gerichtet. Beim Aussenden eines jeden Laserimpulses

2 09827/0658

triggert ein synchronisierter Impuls des Generators 10 einen Entfernungssägezahngnerator 16 in einem Abtastimpulsgenerator 15. Auf diese Weise stellt der Generator 16 für jeden ausgesandten Laserimpuls eine Sägezahnwellenform bereit, die z.B. eine Ä'nderungsgeschwindigkeit von 1 Volt/Mikrosekunde haben kann. Diese Sägezahnwellenform wird an die eine Seite eines Vergleichers 18 angelegt.

Ein langsamer Abtastgenerator 20 erzeugt eine Sägezahnwellenform, die sich über eine Reihe von Wellenformen des Sägezahngenerators 16 erstreckt; diese langsame Sägezahnwellenform wird an die andere Seite des Vergleichers 18 angelegt. Jedesmal, wenn der Augenblickswert der schnellen Sägezahnwellenform des Generators 16 gleich dem Augenblickswert der langsamen Sägezahnwellenform des Generators 20 ist, erzeugt der Vergleicher 18 einen Ausgangsimpuls, der einen Impulsgenerator 22 triggert. Ersichtlich treten die Impulse des Vergleichers zu sich fortschreitend ändernden Zeitlagen in dem Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Laserimpulsen auf und entsprechen daher einem sich fortschreitend ändernden Entfernungsmeßbereich. Der Generator 20 kann daher als Entfernungsabtaster betrachtet werden, der bei diesem Ausführungsbeispiel sich langsam von einem Maximumsausgangssignal zu einem Minimumausgangssignal verschiebt, was einem Abtasten von der Maximalentfernung zur Minimalentfernung entspricht.

Der vom Generator 22 erzeugte Impuls wird an einen Tor- und Gleir.hspannungsrückstellkreis 23 angelegt, zu dem ein Signaltorscbaltcr S₁ und ein Signalstartschalter S₂ gehören. Obwohl diese Schalter in der Zeichnung schematisch als einfache Kontaktschalter darge-

„ 5 _ 209827/0658

216115a

stellt sind, werden in Praxis selbstverständlich elektronische Schalter von bekannter Bauart benutzt. In der in dem Diagramm dargestellten Schaltstellung verbindet der Schalter Sp den Ausgang eines Kondensators C₂ mit Erde, und der Schalter S₁ befindet sich in seinem geöffneten Zustand. Bei Anfall eines Impulses am Ausgang des Generators 22 wird der Schalter S, leitend-, und gleichzeitig unterbricht der Schalter S₂ ^den Erdungskreis zum Ausgang des Kondensators Cg. Der Schalter S₂ bewirkt also das Anlegen einer Gleichspannungskomponente an den Ausgang des Kondensators C₂ in den zwischen den Torimpulsen liegenden Intervallen. Ein Detektor- und Vorverstärkerkreis 24 erfaßt das Licht, das von irgendeinem sich im Pfad des Laserstrahls befindlichen reflektie-

/Jührt renden Gegenstand reflektiert wird, und/ ein entsprechendes elektrisches Signal dem Kondensator C₂ zu. Wenn, während sich der Schalter S^seiner Signaldurchschaltlage befindet, ein Reflexionssignal am Ausgang des Kondensators C₂ anliegt ( d.h., wenn sioh der lichtreflektierende Gegenstand in einer Entfernung befindet, die in diesem Augenblick durch das Ausgangsniveau des langsamen Abtastgenerators dargestellt ist ), wird dieses Signal durch den Schalter S₁ einem Integrator zugeführt, der aus einem Kondensator C, und einem Widerstand R-, besteht. Zwischen den Tor- ^! Steuerimpulsen des Generators 22 kehren die Schalter S₁ und S₂ in ihre ursprünglichen Lagen zurück* und das Signal auf dem Kondensator C₁ wird gespeichert. Die Zeitkonstante des Kreises | R₁-C-. wird so gewählt, daß die gewünschte Arbeitsweise der Vorrichtung sichergestellt ist. Typisch wäre, wenn die Zeitkonstante einer Periode von einigen hundert Torsteuerimpulsen entsprechen würde. Während eines ununterbrochenen Abtastens von der

- 6 209827/065 8

Maximal - zur Minimalentfernung hin, können einige tausend Impulse auftreten.

Die Torsteuerimpulsbreite wird so eingestellt, daß sie mehr als die Hälfte der erwarteten Länge des empfangenen Impulses,aber weniger als die Gesamtlänge des empfangenen Impulses beträgt. Der Wert der Torsteuerimpulsbreite ist aber nicht kritisch. Die langsame Abtastrate wird so gewählt, daß der reflektierte Impuls von einem durch den Laserstrahl beleuchteten Gegenstand wahrscheinlich über eine Anzahl von aufeinanderfolgenden, Impulsen mit den Impulsen vom Generator 22 koinzident ist. Auf diese Weise werden die vom Vor»erstärker 24 kommenden und aufeinanderfolgenden Reflexionen entsprechenden Signale mittels des Kondensators C₁ aufintegriert*

Die erste Koinzidenz des Re flexions signals vom Vorverstärker und des Entfernungsabtast impulses vom Generator 22 wird gewöhnlieh sehr kurz sein, während bei den folgenden Koinzidenzen die Koinzidenzdauer fortschreitend zunehmen wird, während sich der Entfernungsabtastimpuls "über den Zielreflexionsimpuls hinwegschiebt". Die Ladung auf dem Kondensator C₁ wird solange zunehmen, bis eine mit Hilfe eines Schwellenwertkreises 2.6 eingestellte Schwellenspannung erreicht ist. Diesen Zustand erfaßt ein Schwellenwertvergleicher 28 und führt einem Abtaststeuer- ' kreis 29 ein Signal zu. Der Abtaststeuerkreis enthält zwei j Schalter S-* und S^; diese Schalter sind wiederum als einfache Kontaktschalter dargestellt, werden aber in der Praxis als elektronische Schalt -kreise verwirklicht. Das von dem Sehwellenver- j

■" 2Ο'9'8Γ2"7/"σδΤΪ ■"

2161119

gleicher 28 kommende Signal öffnet den Schalter S^₅, der in Reihe mit einem Widerstand R, zwischen den Eingang des langsamen Abtastgenerators 20 und einer positiven Klemme eingeschaltet ist. Das öffnen des Schalters S-* unterbricht das "nach unten gerichtete" Abtasten des langsamen Abtastgenerators 20. Ein weiterer zwischen den Eingang des langsamen Abtastgenerators 20 und eine negative Klemme geschalteter Widerstand Rp stellt sicher, daß bei geöffnetem Schalter S^ die Ausgangs spannung des langsamen Abtastgenerators 20 langsam ansteigt, wodurch bewirkt wird, daß die Torsteuerimpulse zu fortschreitend späteren Zeitlagen in den Zeitintervallen zwischen den Laserimpulsen auftreten, bis das an den Schwellenvergleicher angelegte Eingangssignal unter die eingestellte Schwelle fällt. In diesem Augenblick kann der Vergleicher 28 den Schalter S-, nicht mehr offen halten, und der Eingang des langsamen Abtastgenerators wird wiederum mit der positiven Klemme verbunden, wodurch der Torsteuerimpuls wieder auf den erfaßten Reflexionsimpuls zurückgebracht wird.

Auf diese Weise hängt sich das System an den Rückkehrimpuls, wobei es sich abwechselnd zu dem Rückkehrimpuls vortastet und dann langsam sich von diesem in Richtung auf eine größere Entfernung fortbewegt. Die Breite dieser "Nachjagbewegung" ist ungefähr gleich der Hälfte der Rückkehrimpulsbreite. Dadurch wird die maximale Genauigkeit bestimmt, die das System erreichen kann.

Die Tastbegrenzungseinrichtung ^O wird zur Steuerung des Abtastens bei Abwesenheit eines Rückkehrsignals herangezogen. Wenn der Ausgangswert des langsamen Abtastgenerators dem Wert für die Minimal-

- 8 -209827/0658

entfernung entspricht, verbindet ein Schalter Sh den Eingang des langsamen Abtastgenerators über einen Widerstand Rh mit der negativen Klemme. Der Wert des Widerstandes Rh ist so gewählt, daß das Ausgangssignal des langsamen Abtastgenerators schnell auf einen Wert zurückkehrt, der der Maximalentfernung entspricht; bei diesem Niveau öffnet der Abtastbegrenzungskreis J50 wieder den Schalter Su» so daß ein neuer Abtastzyklus beginnen kann. Der Ausgang des langsamen Abtastgenerators ist auch mit einer Einrichtung 32 zur Darstellung des Ausgangssignals verbunden.

/09827/065B

Claims

PafentanwSlfe

Dr. Ing. H. Negendank

Dipl. !ng. H. Hcmck

Dipl. Phys. W. Schmitz

8 München 15, Mozartsir. 23

Tel. 5380586

British Aircraft Corporation
Limited

100 Pall Mall 9. Dezember 1971

London S.W. 1, England Anwaltsakte M-I851

Patentansprüche

Iy Entfernungsmesser mit einem Laser für die Aussendung einer Folge von Liehtimpulsen, einem Detektor für das. Erfassen von reflektiertem Laserlioht und zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals, einem Abtastimpulsgenerator für die Erzeugung einer Reihe von elektrischen Impulsen, einen in jedem Zeitintervall zwischen zwei Laserimpulsen, wobei der Abtastimpulsgenerator eine Zeitsteuereinrichtung für die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Impulses innerhalb des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Laserimpulsen einschließt, so daß die Auftrittszeitpunkte der erzeugten Impulse innerhalb der Zeitintervalle sich fortschreitend ändernden Entfernungsfoe-

/SQwie reichen von reflektierten Liehtimpulsen entsprechen^/eine auf die

erzeugten Impulse ansprechende Torschalteinriohtung^ die nur dann ein einem reflektierten Laserimpuls entsprechendes Signal . durchläßt, wenn ein erzeugter Impuls anliegt, gekennzeichnet

durch Schaltmittel(Op R₁)für die Integration der Ausgangssignale der Torschalteinrichtung (23$ S₁) und durch mit der Zeitsteuer- ! einrichtung (l6,l8) und den Integrierschaltmitteln verbundene Sehaltmittel (26, 28)₃ die dann ansprechen, wenn der -Integral =

- IO -

203827/Ob 5 3

21611S9

wert größer ist als ein Schwellenwert, um die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Impulses in der Richtung anzuhalten, in der die Änderung fortschritt»
2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen zwischen den Ausgang des Detektors(24)und die Torschalteinrichtung (23j S₁) geschalteten Gleichspannungsrüekstellkreis (23; Sp).
3. Entfernungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsrüekstellkreis (23) SefealtHiittel (S₂) aufweist, wodurch dieser Rückstellkreis während der Dauer der erzeugten Impulse unwirksam gemacht wird.
4. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastimpulsgenerator(l5)eine zweite Zeitsteuereinrichtung für die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Impulses innerhalb des Zeitintervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen aufweist, wobei die zweite Zeitsteuereinrichtung eine Änderung der Eeitlage in einer der durch die erste Zeitsteuereinrichtung bewirkten Änderung entgegengesetzten Richtung bewirkt, und Scnaltänittel, die die zweite Zeit steuereinrichtung einschalten, wem der Integralwert grb*:3ar ist als der Schwellenwert.
5* Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch j gekennze:J.ebnet, daß der Abtastgenerator (15) einen ersten Säge- ^! zahngenerafcor (16), der eine Sägezahnwellenform !bei jedem Laserpuls βλ'zeugt,und einen zweiten und langsameren Sägezahngenera- j

- 11 209827/Ö658

2161153

tor (20) aufweist, der eine sich über eine Reihe von Wellenformen des ersten Sägezahngenerators erstreckende Sägezahnwellenform erzeugt, und einen Komparatorkreis (18), dem die Sägezahnsignale der beiden Sägezahngeneratoren zuführbar sind und der jedesmal dann einen Ausgangsimpuls liefert, wenn die Augenblickswerte der beiden Sägezahnwellenformen übereinstimmen.
6. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Gallium-arFsenid-Laser ist.

209827/0658

Leerseite